冻融循环作用下土的性质对纤维水泥土力学性质的影响

2020-08-29徐丽娜王亚波

科学技术与工程 2020年21期

徐丽娜，牛雷*，张婷，王亚波，王军

(1.吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118;2.吉林大学建设工程学院，长春 130026)

纤维水泥土是按一定比例，将很细的纤维丝或纤维网掺入水泥土中并充分拌和而形成的一种新型复合材料，不仅施工工艺简单，而且能大幅度提高水泥土的抗压强度，同时提高了水泥土的抗剪、抗拉强度[1]。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，由于玄武岩纤维具有较高的韧性和抗拉强度，同时具有对环境污染小、价格低廉等优良的性质，经常作为复合材料中的增强材料，在各个领域得到了广泛的应用[2]。

对于水泥土来说，冻融作用对水泥土的物理力学性质均有较大的影响[3]。中外学者在这方面开展了大量研究。王天亮等[4]研究发现在冻融循环下，水泥土的应力-应变关系为加工软化型，并以脆性破坏为主；陈四利等[5]研究发现水泥土的抗剪强度, 抗压强度随着冻融循环次数的增加而降低；崔宏环等[6]通过研究发现短龄期时，水泥土水化反映尚未结束，冻融循环造成的结构损伤可以恢复，而龄期90 d后,水化反应基本完全,结构近于稳定,经冻融循环造成不可修复的损伤,导致抗压强度均随循环次数增加呈下降的趋势；刘桂香等[7]通过三轴对比试验，发现加筋处理适用于多年冻土地区。徐丽丽等[8]、赵立财[9]、何岩[10]、王勃等[11]的研究进一步证实了上述观点。而汪恩良等[12]通过研究发现冻融循环使筋土表层土变得疏松，局部变形偏大；韩春鹏等[13]分析纤维掺量、纤维长度、冻融循环次数3个因素对聚丙烯纤维土抗剪强度的影响规律，经过综合分析得到纤维长度、掺量的最佳组合方案；纤维土黏聚力较素土有一定的提升，且提升效果随冻融次数的增加更显著；内摩擦角随冻融次数的增加出现先增大后减小的现象。

以吉林省长春市净月区的两种常见土为研究对象，以玄武岩纤维和水泥为加固材料，通过一系列的无侧限抗压强度试验，分析了纤维质量掺入比为0.5%时，土体性质对玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度的影响，并得到了冻融循环作用下土体性质对纤维水泥土力学强度的影响，进一步分析了冻融循环作用下水泥土的破坏状态，为纤维水泥土在季节性冻土区域的应用提供一定的借鉴和参考。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验所采用的两种土样均取自于吉林省长春市净月区，试验用土的现场取样照片如图1所示。将采集的土样在自然条件下风干、碾碎，并通过5 mm 的筛，图2为试验中所用土样的粒径分布曲线，表1为两种土样的基本物理指标，其中土样一为低液限黏土，土样二为含细粒砂土。试验中所采用的水泥是由长春亚泰集团生产的普通硅酸盐水泥，水泥的强度等级为P.O 42.5。试验所采用的纤维为海宁安捷复合材料有限公司生产的短切玄武岩纤维，其直径为7～15 μm。

表1 两种土的基本物理性质指标

图1 试验用土现场取样

图2 粒径分布曲线

1.2 试样制备

按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)中的要求进行配合比设计、试样的制备及相关试验。试样采用70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方体试模，试验采用的水灰比为0.5，水泥掺量为10%，玄武岩纤维掺量为0.5%，掺入纤维长度分别为0、3、6、12、20、35 mm。具体试验方案如表2所示。

表2 试验方案

1.3 试验方法

1.3.1 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验仪器采用长春科新试验仪器有限公司生产的微机控制电液伺服万能试验机。加载采用位移匀速控制，加载速率为 0.1 mm/s。

1.3.2 冻融循环试验

参照吉林省长春地区的温度变化，首先将制备好的试样在-15 ℃的温度中冻结24 h，而后在室温条件下水中浸泡24 h，该过程为一个冻融循环周期。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度的对比分析

由图3可以看出，在土样一的水泥土中加入纤维，有效地提高了水泥土的无侧限抗压强度，其中添加长度为6 mm的纤维时，强度提高最明显。而在土样二的水泥土中添加玄武岩纤维后，水泥土的无侧限抗压强度不仅没有提高，反而有所降低。通过试验研究发现，在水泥土中加入纤维不一定能提高水泥土的无侧限抗压强度，土体的性质对纤维的加固效果影响比较大。

图3 玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度(养护龄期：28 d)

2.2 冻融循环作用下强度变化的对比分析

图4为冻融循环次数与无侧限抗压强度之间的关系。从图4可以看出，随着冻融循环次数的增加，水泥土的无侧限抗压强度逐渐减低。其中，方案1中试样的强度降低幅度比较大，而方案2 中试样的强度减低幅度较小。方案1中未添加纤维的水泥土经过5次冻融循环后，失去承载能力，而方案2中未添加纤维经过24次冻融循环后才开始下降比较明显，这说明，土的性质在水泥土抵抗冻融循环过程中有很重要的作用。对于方案1来说，添加纤维的水泥土经过11次冻融循环后，开始有明显的下降，而对于方案2来说，添加纤维的水泥土经过24次冻融循环后，强度降低并不明显，这说明纤维的添加可以有效地提高水泥土抵抗冻融循环的能力。

图4 无侧限抗压强度与冻融循环次数之间的关系

2.3 强度损失的对比分析

表3为冻融循环作用下水泥土的强度损失率。从表3可以看出，方案1中未添加纤维的水泥土经过5次冻融循环后强度损失在49%，添加纤维的水泥土经过11次冻融循环后，强度均损失在50%左右。而方案2中未添加纤维的水泥土经过24次冻融循环，强度损失达到33%，而添加纤维的水泥土强度损失在5%～14%。

表3 冻融循环作用下强度损失率

3 冻融破坏状态分析

图5为经过不同次数冻融循环作用后水泥土的照片。由图5可以看出，两种土样添加纤维后，水泥土经过冻融循环后的裂纹均有所减少，说明纤维的添加可以有效地提高水泥土在冻融循环作用下的抗开裂能力。方案1中未添加纤维的水泥土经过11次循环后，裂纹已经贯通，完全破碎成小块，失去承载能力，而添加纤维的水泥土经过11次冻融循环后，表面也已经出现裂纹，但裂纹没有贯通；方案2中的试样经过24次冻融循环后，除了个别表面出现轻微裂纹的现象外，并没有形成贯通性的裂纹，这也是其无侧限抗压强度损失率较低的主要原因之一。